基于物料體積檢測算法的煤礦運輸自動調(diào)速系統(tǒng)研究

文/魏忠奎

帶式輸送機是一種連續(xù)運輸，能耗小、運量大、便于搭接的運輸設備，大規(guī)模應用在煤礦井下、井上生產(chǎn)中。在實際生產(chǎn)中，由于前端采煤工況的變化，導致整個后方的運輸系統(tǒng)不能有效、全負荷地運輸煤炭，整個煤炭運輸系統(tǒng)部分或整體運輸皮帶出現(xiàn)全功率、低負荷運行，大大降低了設備使用效率，造成能源浪費、人員配置冗余、皮帶空載磨損損耗增大的問題。

為有效解決上述問題，提出了帶式輸送機煤量檢測技術(shù)與順煤流方向啟停車控制邏輯，運用體積積分原理與曲線擬合方式，搭配紅外激光等硬件設備輔助，實現(xiàn)瞬時煤流量與預測煤量的科學計算并將煤流量數(shù)據(jù)化，通過實時檢測皮帶運行狀態(tài)和連續(xù)性煤炭的動態(tài)數(shù)據(jù)，實施綜合控制，達到自動調(diào)速，實現(xiàn)煤礦主運系統(tǒng)的一體化、無人化，達到計量精準、響應及時的效果。

一、智能煤流檢測控制裝置算法與控制邏輯設計

煤礦運輸自動化系統(tǒng)是指運輸系統(tǒng)可以由一個系統(tǒng)對所有設備進行監(jiān)測、控制、管理的系統(tǒng)，由設備控制子系統(tǒng)與軟件子系統(tǒng)兩部分組成。本文提出的智能煤流檢測算法解決了傳統(tǒng)硬件部分監(jiān)測不及時、連續(xù)煤量動態(tài)數(shù)據(jù)無法量化等問題。軟件系統(tǒng)搭配了本文提出的調(diào)速邏輯，對硬件系統(tǒng)提供的檢測數(shù)據(jù)進行科學判斷并及時做出控制響應。軟硬件系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了煤礦運輸系統(tǒng)煤流檢測與自動調(diào)速功能，達到運輸系統(tǒng)智能分析，減人增效的目的。

1．智能煤流檢測算法思想

智能檢測算法采用剖面輪廓曲線擬合、復變函數(shù)與積分公式、不規(guī)則面積采用數(shù)值法近似規(guī)則圖形算法對輸送機上連續(xù)煤炭進行物料計算。通過高頻率采集皮帶機上的物料輪廓，結(jié)合皮帶實時速度計算出需要的采樣截面積，然后依據(jù)單位時間內(nèi)的運輸皮帶位移結(jié)合積分公式計算出皮帶上的瞬時煤量。2D激光掃描器用于運輸機煤量并在規(guī)定的時間內(nèi)建立掃描表面的縱向剖面，如圖1所示。

圖1 皮帶煤量掃描剖面示意圖

圖1 中，最高點H代表物料最高點，剖面面積設為S，皮帶下托輥長度為b，皮帶載料有效寬度為a，側(cè)托輥與皮帶下托輥夾角為a，而實際生產(chǎn)中，物料自然平鋪，可以將掃描截面看成一個梯形。計算公式如下：

其中，截面積S按以下公式計算：

公式優(yōu)化后：

皮帶實時速度為V，2 D激光傳感器的掃描頻率為K，煤的比重為ρ，截面煤量為M，截面煤量瞬時t內(nèi)皮帶累計檢測出的煤量為Ta，則瞬時煤量為：

然后，對皮帶單位小時內(nèi)的動態(tài)煤流量進行預測計算。在實際生產(chǎn)應用時，規(guī)定每一個瞬時煤量的采樣時間點t，而ti時間段內(nèi)的煤量為Ty。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)能夠近似得出單位小時內(nèi)的預測煤流量：

通過上面的運算公式，可以準確地計算出運輸機瞬時煤量和皮帶單位小時的預測煤流量。

2．系統(tǒng)控制邏輯設計

（1）啟停車邏輯設計。2D激光器實時掃描運輸皮帶的煤量分布，動態(tài)更新單位小時內(nèi)預測煤量。皮帶開車時，在煤量檢測下可以進行順煤流方向啟車與逆煤流停車。

當主運輸子系統(tǒng)內(nèi)的運輸皮帶空載且工作區(qū)域運輸皮帶有一定煤量時，首先啟動工作面區(qū)域內(nèi)皮帶，然后根據(jù)皮帶煤量預測數(shù)據(jù)與皮帶實時數(shù)據(jù)通過計算得出煤流到達工作面區(qū)域運輸機機頭的時間。當時間小于設定值t時，將主運輸系統(tǒng)內(nèi)的所有設備按預測時間順序啟動，以達到順煤流啟動的目的。

在生產(chǎn)時系統(tǒng)中某部輸送機出現(xiàn)突然停車時處理方式如下：在重新啟動本輸送機時，根據(jù)停車類型記錄信息，判斷上次是否為故障停車，如果是，則采用反向煤流啟車方式，避免出現(xiàn)埋機頭情況發(fā)生。

（2）依據(jù)煤量的調(diào)速邏輯設計。輸送機皮帶智能調(diào)速，需要結(jié)合整個運輸系統(tǒng)內(nèi)所有皮帶預測煤流量和瞬時煤量的數(shù)據(jù)，通過綜合分析來判斷以防堆煤，從而調(diào)整各個皮帶的運行速度和調(diào)速時間窗口。調(diào)速流程如圖2所示。

圖2 皮帶調(diào)速功能實現(xiàn)示意圖

由激光器掃描數(shù)據(jù)通過曲線擬合建立掃描剖面圖形，在通過數(shù)值法或者積分公式近似或分割剖面圖形，計算出剖面面積，結(jié)合當時皮帶速度，積分剖面面積即可得出瞬時煤量，通過對瞬時煤量的時間轉(zhuǎn)化即可得出單位小時內(nèi)的預測煤量。將預規(guī)定時間內(nèi)預測煤流量與輸送機設計最大載荷做實時對比，得出的百分比定位為速比變量，用S表示。根據(jù)S值再結(jié)合預測煤流量的變化趨勢可以確認輸送機的理論運行速度，定義為T。如果理論速度T小于當前輸送機運行速度，則用理論速度與實際運行速度的比值作為降速系數(shù)，結(jié)合降速時間做線性降速；如果理論速度大于當前輸送機運行速度，則直接通過通訊將需要速度值寫入變頻或通過PLC可編程控制箱4～20ma模擬量輸出端口驅(qū)動變頻器調(diào)節(jié)速度，瞬間提高速度，立即響應運煤需求。

3．軟件架構(gòu)設計

煤流量檢測調(diào)速系統(tǒng)軟件作為煤礦運輸自動化系統(tǒng)中的一部分，所有數(shù)據(jù)允許系統(tǒng)控制主機直接調(diào)用。區(qū)域控制主站通過以太網(wǎng)方式接收和上傳相應數(shù)據(jù)至煤礦運輸自動化系統(tǒng)主機，運輸自動化系統(tǒng)主機做整體速度控制。

煤礦運輸自動化系統(tǒng)上位機采用西門子WINCC軟件開發(fā)，系統(tǒng)功能架構(gòu)由初始化參數(shù)設定、啟/停設備邏輯處理、設備故障記錄、人機交互以及外圍傳感檢測接入和通用協(xié)議五部分組成。

二、軟硬件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

煤量檢測裝置由2D激光發(fā)生掃描裝置、速度傳感器、可編程控制箱、隔爆計算機、龍門架等硬件組成。本技術(shù)方案僅對前三部分的硬件設計及功能實現(xiàn)進行介紹。

1．硬件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

（1）煤量檢測裝置的電氣構(gòu)成。其中，超2D紅外激光掃描負責對傳送帶上的煤量進行頂部分布輪廓掃描。速度傳感器進行實時速度檢測。監(jiān)測控制器負責在線建模并計算掃描結(jié)果，然后將計算結(jié)果傳送到本部皮帶的可編程控制箱，可編程控制箱通過profinet網(wǎng)絡總線協(xié)議與系統(tǒng)上位機進行數(shù)據(jù)交換，上位機為系統(tǒng)遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)記錄最高級控制層級。

（2）速度傳感器的實現(xiàn)。目前速度傳感器設計方案有霍爾感應高速計數(shù)測量與編碼器測量兩種方式?；魻枡z測方式是基于霍爾效應原理。

旋轉(zhuǎn)編碼器的測速是采用現(xiàn)有的穩(wěn)定性好、精度高的旋轉(zhuǎn)編碼器，經(jīng)過加強防護外殼，安裝于下層皮帶上，編碼器與貫通式滾筒通過柔性連接方式連接。編碼器的高速信號直接送至PLC可編程控制箱，通過PLC高速計數(shù)完成速度采集。

在本設計的煤流檢測裝置中，速度傳感器設計采用的是直徑為15cm的滾筒。通過撥碼開關(guān)設置，選擇輸出的信號是4～20ma的模擬量或者開關(guān)量。不同皮帶工況采用不同的安裝支架。通過對測速輪軸承型號以及礦用大多數(shù)皮帶調(diào)研，最終設計測試裝置測速范圍為0～5m/s，對應4～20mA的模擬量數(shù)據(jù)輸出。

（3）激光掃描器設計。煤流識別檢測裝置主要應用于井下運輸大巷具有變頻裝置的運輸皮帶，以及主斜井強力皮帶或者具有變頻驅(qū)動的順槽皮帶，現(xiàn)場環(huán)境通常粉塵較大，地上泥水較多，尤其具有噴霧抑塵的礦井，環(huán)境中具有較多的粘性懸浮顆粒雜物，對激光掃描窗口具有很強的附著力和污染力。故在設計時應考慮持續(xù)除塵清潔，并且除塵裝置的設計要充分考慮煤流識別的實時性，要求在除塵過程中不得干涉2D激光掃描建模。

2.軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

（1）檢測控制器的軟件設計。煤流檢測控制裝置有三個功能：信號采集處理計算、數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)化、檢測數(shù)據(jù)輸出。檢測數(shù)據(jù)輸出包括初始化數(shù)據(jù)參數(shù)設定和數(shù)據(jù)上傳。三者之間相互數(shù)據(jù)共享，設計上比較復雜，為使程序運行更加流暢，考慮實際使用的廣泛性，軟件基于Windows系統(tǒng)運行。

應用層功能主要是完成被檢測設備煤量零點標定、固化運行數(shù)據(jù)和實時變更測量數(shù)據(jù)；軟件功能層負責檢測數(shù)據(jù)的計算和結(jié)構(gòu)輸出，軟件驅(qū)動層實現(xiàn)與硬件設備建立通訊鏈路完成數(shù)據(jù)交互，是監(jiān)測裝置的物理接口。

應用程序?qū)浖w進行配置，采用時間中斷，中斷時間為1s。有五個功能，最重要的是建立與另外層級的關(guān)聯(lián)，建立連接之后對任務運行頻率使用情況進行統(tǒng)計。參數(shù)讀寫部分作為獨立的架構(gòu)，負責對外提供接口。煤流識別控制器對外只提供工程量如皮帶瞬時、每小時預測流量、皮帶速度等，不提供中間計算變量。

（2）2D建模軟件設計。由2D建模以及煤流識別的軟件HMI單元、掃描輪廓數(shù)據(jù)處理單元以及模擬量工程數(shù)值輸出單元組成。由于程序主要是基于單個激光掃描器，所以用工控板的循環(huán)設計方式。程序中物料掃描建模計算做時間中斷重復調(diào)用，其他單元作為時間中斷處理任務。優(yōu)先級低的中斷為TO中斷，負責產(chǎn)生1s為時基的時間中斷，并完成對各需要進行改動的數(shù)據(jù)進行置位和清零。

2D掃描建模數(shù)據(jù)采樣部分為中斷時的掃描數(shù)據(jù)，在進入中斷后，首先對上次接受數(shù)據(jù)進行清零處理，根據(jù)新的數(shù)據(jù)進行截面建模，通過擬合曲線以及計算原理，運算得出本次中斷所采集的煤量。與上一次結(jié)構(gòu)進行對比，如果數(shù)據(jù)結(jié)果變化較大，則將本次數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)同時存入數(shù)據(jù)暫存區(qū)，進行下一次的中斷數(shù)據(jù)采集運算，同樣與前兩次數(shù)據(jù)進行對比；如果與上次數(shù)據(jù)相差不大，則進入煤量上升趨勢監(jiān)測；如果與上次數(shù)據(jù)出入較大、與前一次數(shù)據(jù)相差不大則視為皮帶運輸線上偶爾的大塊物料，最后中斷返回。

三、實例分析

1．使用場所

山東能源棗礦集團田陳煤礦洗煤廠原煤121皮帶。皮帶寬度800mm，皮帶長度44m。皮帶設計運量220t/h。

2．精確度驗證方式

與皮帶動態(tài)衡進行數(shù)據(jù)比對。煤流檢測裝置測試單位為“m3/h”，而皮帶稱（動態(tài)衡）測量單位為“t/h”，所以中間存在一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化系統(tǒng)數(shù)。

洗煤廠洗煤介質(zhì)密度為“1.45g/mL”，根據(jù)洗煤流程，以及洗煤廠化驗室提供數(shù)據(jù)，原煤密度取“1.38g/cm3”進行數(shù)據(jù)測試對比。

通過一周的運行以及數(shù)據(jù)對比，在密度平均前提下，煤流體積測試綜合精度為94%（以皮帶衡數(shù)據(jù)為對比）。

應用于調(diào)速設備的測量通常滿足90%精度即可。通過煤流檢測，完全可以應用于大運輸量、大功率的需要調(diào)速控制的皮帶運輸場合。

四、結(jié)語

本文提出了皮帶煤流檢測算法與控制邏輯，有效解決了煤流量計算不準確等問題，根據(jù)此算法設計的系統(tǒng)應用于現(xiàn)場工作期間，運行穩(wěn)定可靠，有效減少了皮帶空載時間，減少了能源消耗，降低了礦井安全事故率，節(jié)約了企業(yè)生產(chǎn)成本，因此具有較好的社會效益與經(jīng)濟效益。